基于相似模擬的淺埋深煤層覆巖采動裂隙分析
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李曉璐1,2，歐陽振華1,2，李少剛1,2
（1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013）
摘要：根據(jù)相似模型試驗(yàn)，探討了運(yùn)用視電阻率法的物探技術(shù)來反演淺埋深覆巖采動裂隙發(fā)育演化規(guī)律的可行性，分析了采動過程中淺埋深煤層覆巖變形破壞前后電性參數(shù)的變化及其與覆巖裂隙發(fā)育范圍、程度之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：視電阻率法可以探測淺埋深煤層覆巖采動裂隙的演化過程，電阻率變化率的等值線圖可以體現(xiàn)裂隙發(fā)育形態(tài)，提出以電阻率變化率作為劃分覆巖破壞“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)。在淺埋深煤層的采動過程中，上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶的范圍持續(xù)向上方、前方擴(kuò)展，但裂隙在水平與垂直方向的發(fā)育具有不平衡性，薄基巖層明顯阻礙了裂隙向上的發(fā)育，水平方向的裂隙發(fā)育范圍明顯大于垂直方向。而一旦裂隙發(fā)育突破了基巖層，就會瞬間貫通該基巖層上方的附著巖層或地表。
關(guān)鍵詞：淺埋深；視電阻率法；采動裂隙；電阻率變化率；相似模型試驗(yàn)
中圖分類號：TD821 文章編號：1004-4051(2016)04-0072-05
在我國西部地區(qū)，相當(dāng)一部分礦區(qū)具有煤層埋藏淺、基巖薄、地表有松散覆蓋層的特殊地質(zhì)和采礦條件，在開采的過程中，頂板基巖會在工作面上方形成裂縫，裂縫的貫通會造成地表砂土的涌入，導(dǎo)致井下潰砂等，威脅礦井生產(chǎn)安全，同時這些裂縫易貫通地表，使得地表形成塌陷坑，加劇對地表植被的毀壞，并嚴(yán)重影響地面建筑物的安全。
對于覆巖裂隙的探測，我國學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究工作，其中許宏發(fā)等為研究深部巷道圍巖破裂情況，在深部巷道布置鉆孔，對鉆孔內(nèi)巖體電阻率進(jìn)行測試，測量圍巖電阻率沿鉆孔深度的變化；康永華等通過彩色鉆孔電視和鉆孔沖洗液消耗量觀測，取得了高水壓含水層作用于原生縱向裂隙發(fā)育巖體條件下的垮落帶、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃鞍l(fā)育特征的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果；張玉軍等采用鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統(tǒng)，探測了高強(qiáng)度綜放開采覆巖破壞高度；孫亞軍等通過并行網(wǎng)絡(luò)電法CT觀測小浪底水庫下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況。劉貴等針對河下開采，通過在工作面不同位置布孔進(jìn)行鉆孔沖洗液漏失量和彩色電視觀測，并通過物理模擬研究了在各工作面間留設(shè)一定寬度隔離煤柱的開采方式的覆巖破壞過程。而對于淺埋深薄基巖的覆巖的采動裂隙的相關(guān)研究還是很缺乏的。
煤層覆巖的裂隙發(fā)育可以通過鉆孔沖洗液消耗量法、鉆孔電視或鉆孔成像技術(shù)、物探等方法進(jìn)行探測。任奮華等據(jù)現(xiàn)場鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化以及井下彩色鉆孔電視影像，探明了煤層開采后上覆巖層內(nèi)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度及其分布形態(tài)；張玉軍等采用鉆孔彩色電視系統(tǒng)對鉆孔內(nèi)部原生裂隙及采動裂隙的分布及其發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行了研究；文學(xué)寬應(yīng)用電磁波層析技術(shù)（即CT）探測了覆巖的破壞高度；張平松、劉盛東等采用電阻率法、立體直流電法、孔巷電法和并行電法觀測，獲得覆巖變形與破壞的發(fā)育規(guī)律。
鉆孔沖洗液消耗量法可以探測覆巖破壞的高度，但當(dāng)觀測鉆孔內(nèi)觀測段的巖層中有原生裂隙時，沖洗液消耗量法觀測就不能順利進(jìn)行，甚至由于對原生裂隙的堵漏不成功而造成觀測失敗。鉆孔電視或鉆孔成像技術(shù)雖具有形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)巖層完整性較好時，常導(dǎo)致進(jìn)行觀測的鉆孔內(nèi)仍然有水，影響觀測效果。因此，筆者根據(jù)相似模型試驗(yàn)，利用高密度電法，分析淺埋薄基巖的覆巖在采動影響下的裂隙演化規(guī)律，為指導(dǎo)西部淺埋深薄基巖礦區(qū)高效、經(jīng)濟(jì)、安全生產(chǎn)和保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。
1 相似模擬試驗(yàn)方案
本文以內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司楊家村煤礦222203工作面為原型，該工作面是22采區(qū)第二個工作面，埋深約140m，傾角小于50，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，平均煤厚7. 3m。工作面四周及上下煤層均未開采，為實(shí)體煤區(qū)。工作面采用綜合機(jī)械化走向長壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理頂板。
1.1 相似模型試驗(yàn)設(shè)計
相似模到尺寸3200mm×250mm×1500mm，為平面應(yīng)力模型，如圖1所示。依據(jù)Hoke-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則及小試件室內(nèi)試驗(yàn)資料，對本次相似模擬實(shí)驗(yàn)所涉及到的煤巖層進(jìn)行估算，具體參照根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)以及上述轉(zhuǎn)化關(guān)系公式，并考慮本次相似模擬材料選取的參考指標(biāo)主要是抗壓強(qiáng)度和模擬，故得到研究區(qū)域內(nèi)相似材料模型的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。
1.2試驗(yàn)內(nèi)容
模擬煤層回采過程，其中煤層切眼寬度取10m，工作面每次推進(jìn)10m，共模擬推進(jìn)237m。通過開挖前在模型表面布置位移變形監(jiān)測點(diǎn)，在煤層上覆巖層中布置視電阻率測試點(diǎn)，來監(jiān)測煤層上方頂板及地表的位移變化、覆巖破斷過程中的視電阻率的變化。
布置6條水平測線進(jìn)行位移觀測，如圖2所示，其中回采煤層上方5條，煤層下方1條，相鄰測線間距150mm，每條測線13個測點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)間距100mm，合計共78個位移測點(diǎn)。
在模型頂表面，沿中心線布設(shè)11個視電阻率測試點(diǎn)( D1～D11)，如圖3所示。測量D1點(diǎn)的視電阻率時，以D1點(diǎn)為中心，將電阻率測試儀的兩個接收探頭M、N對稱布置在D1點(diǎn)兩側(cè)并不變(MN一50mm)，兩個發(fā)射探頭A、B對稱于測試中心D1點(diǎn)向兩旁按一定間距增加（A、B兩點(diǎn)的起始距離為100mm，向兩邊移動的步距各為50mm，直到移動到模型邊界為止），并記錄下A、B每次移動后，M、N兩點(diǎn)處測得的電壓和電流，可計算出該點(diǎn)不同深度處的視電阻率。D2～D11采用相同方式測試相應(yīng)點(diǎn)不同深度電阻率。
2視電阻率測試方法
視電阻率測試方法，是一種陣列勘探方法，源于電剖面法和電測深法，主要是通過高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測量。由于其具有探測數(shù)據(jù)量大、速度快和觀測精度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在巷道工作面、頂板、底板及工作面富水構(gòu)造探測等方面發(fā)揮了重要作用，并嘗試用于覆巖“三帶”的探測。
視電阻率測試方法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。一般來說，在開采前，不同煤巖類型的電阻率也不同。開采過程中，當(dāng)巖體受拉伸或破碎時，顆粒間接觸松散，產(chǎn)生間隙，孔隙度增加，孔隙充填電阻率為無窮大的空氣，因而巖體的視電阻率升高。覆巖的這一電性特征是覆巖在煤層開采過程中力學(xué)性質(zhì)變化的結(jié)果。因而，通過比較煤巖采動前后電阻率的變化，就可以探測到覆巖的裂隙發(fā)育情況。
2.1 視電阻率的模塊試驗(yàn)
在配制模型材料時，適當(dāng)加入Na Cl溶液可模擬不同電性特征的實(shí)際地層，而Na Cl的濃度和模型的干燥時間都會影響模型的電阻率，為了確保物理模型能夠反映實(shí)際的地層情況，首先進(jìn)行了模塊實(shí)驗(yàn)，以確定合適的材料配比方案。
模塊大小為10cmX 10cm，針對實(shí)際地層情況，共設(shè)置表土層到細(xì)粒砂巖共8組模塊，如圖4所示，每組模塊具有不同濃度的Na Cl溶液，各層組分詳細(xì)配比見表2。
為了降低測量誤差，每組制作三塊相同模塊，測量求平均值。在不同時間段測量電阻率值，記錄不同時間段的電阻率變化，測量結(jié)果見表3。
由表3可見，Na Cl溶液很好的控制了模塊的電阻率，經(jīng)過139小時的自然風(fēng)干后，模塊電阻率與預(yù)期電阻率相符，據(jù)此，表2配比能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。
2.2相似模型視電阻率測試準(zhǔn)備
為了模擬覆巖破壞過程中電阻率的變化，相似模型不僅需要滿足與研究對象的幾何、容重、強(qiáng)度和彈模等力學(xué)性質(zhì)的相似條件，還要符合電性參數(shù)的物理相似準(zhǔn)則，即滿足式(1)。
根據(jù)表2可以看出，該工作面上方存在兩個薄基巖層，一個是距工作面頂板10m、厚46m的細(xì)粒砂巖層，另一個是距工作面頂板64m、厚58m的礫巖層。由于基巖層限制了裂隙的發(fā)育，在兩個薄基巖層的下方分別形成了拱形的導(dǎo)水裂縫帶和馬鞍形的導(dǎo)水裂縫帶。
當(dāng)工作面回采100m時(圖5(a))，有小裂隙發(fā)育至地表，裂隙第一次導(dǎo)通地表，地表發(fā)生彎曲下沉。導(dǎo)水裂縫帶上部發(fā)育至頂板上方的90m左右，進(jìn)入礫巖層；而導(dǎo)水裂縫帶下部初步形成兩邊高、中間底的“馬鞍形”的裂隙形態(tài)，發(fā)育范圍僅限于頂板上方的50m內(nèi)，位于細(xì)粒砂巖層內(nèi)。
工作面回采115m時(圖5(b))，導(dǎo)水裂縫帶上部發(fā)育至頂板上方的100m左右，向上擴(kuò)展了10m，但仍處于礫巖層內(nèi)；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”也小幅度的向上發(fā)展，且工作面頂板上方的電阻率變化率也在增大，新的裂隙在產(chǎn)生。
工作面回采140m時(圖5(c))，由于礫巖層限制了導(dǎo)水裂縫帶上部的向上發(fā)育，導(dǎo)水裂縫帶的高度變化不大，依然處于礫巖層內(nèi)，導(dǎo)水裂縫帶繼續(xù)在水平方向擴(kuò)展；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”的頂部由距頂板的40m向上發(fā)育至55m左右（圖6）。
工作面回采150m和160m時(圖5(d))與圖5(e)，導(dǎo)水裂縫帶的高度沒有變化，還位于礫巖層內(nèi)；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”的頂部向上發(fā)展了20m，貫穿細(xì)粒砂巖層，薄基巖的貫通導(dǎo)致其上的粉砂巖層也隨之切落，導(dǎo)水裂縫帶直接擴(kuò)展過粉砂巖層，“馬鞍形”的頂部距頂板達(dá)的90m左右，已接近礫巖層。
當(dāng)工作面回采170m時(圖5(f))，礫巖層的薄基巖層發(fā)生破斷，導(dǎo)水裂縫帶瞬間發(fā)育至地表，上部松散層也隨基巖層下沉，地表形成臺階下沉(圖6)。同時由于淺埋深的特點(diǎn)，裂隙多次貫通地表，形成多個彼此獨(dú)立的裂隙發(fā)育區(qū)。
可以看出，在工作面的回采過程中，隨著覆巖裂隙的發(fā)育，視電阻率發(fā)生規(guī)律性的變化，通過視電阻率的變化來劃分覆巖破壞高度是可行的。在彎曲下沉帶內(nèi)，巖體的電阻率變化不大，在導(dǎo)水裂縫帶中，上部裂隙發(fā)育弱，電阻率值一般是正常值的1.5倍，下部裂隙發(fā)育，電阻率值是正常值的2.5倍左右；在垮落帶中，電阻率遠(yuǎn)比正常值大得多，會達(dá)到4～5倍以上。針對本相似模型，可提出以電阻率變化率作為劃分“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)，見式(2)。
因此，只要選擇合適的電阻率變化率值，通過電阻率變化率的分布情況，可以得到回采過程中覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律。
4結(jié) 論
1)通過相似模型試驗(yàn)可以看出，運(yùn)用視電阻率法的物探技術(shù)手段，可以有效克服原生裂隙和覆巖完整性的影響，監(jiān)測到采動裂隙的發(fā)育演化過程。
2)提出以電阻率變化率作為劃分覆巖變形破壞“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免模型風(fēng)干控制的不確定性和反演中的等值現(xiàn)象（多解性）等對反演電阻率結(jié)果的影響。
3)在淺埋深煤層的采動過程中，上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶的范圍持續(xù)向上方、前方擴(kuò)展，但裂隙在水平與垂直方向的發(fā)育具有不平衡性，薄基巖層明顯阻礙了裂隙向上的發(fā)育，水平方向的裂隙發(fā)育范圍明顯大于垂直方向。而一旦裂隙發(fā)育突破了基巖層，就會瞬間貫通該基巖層上方的附著巖層或地表。
